СИСТЕМА И СПОСОБ ДЛЯ ПАСТЕРИЗАЦИИ ВОДЫ И ВЫРАБОТКИ ЭНЕРГИИ Российский патент 2008 года по МПК F02C6/18 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится, вообще, к очистке воды и, в частности, к пастеризации воды и выработке энергии с использованием турбины.

Уровень техники

Традиционные способы очистки сточной воды включают хлорирование, обработку ультрафиолетовым (UV) излучением и ультрафильтрацию. К сожалению, каждый из этих способов имеет определенные недостатки.

Хлорирование включает в себя обработку воды хлором или соединением хлора. Если концентрация хлора достаточно высокая, очищенная вода имеет склонность к плохому запаху и вкусу. Некоторые люди не любят запах и вкус даже небольшого количества хлора. Кроме того, хлорирование может быть вредным для здоровья. Если источник воды содержит гуминовые соединения, образующиеся в результате разложения органических веществ, таких как листья, трава, древесина, отходы животноводства, то в процессе хлорирования такой воды могут быть получены тригалометаны (ТНМ). Поскольку ТНМ очень редко сопутствуют грунтовой воде, в основном они доставляют проблему при использовании источников поверхностной воды. Управление по охране окружающей среды считает, что продолжительное потребление воды из источников, содержащих ТНМ на уровне более 0,10 миллиграмм на литр, является потенциальным источником раковых заболеваний.

Обработка воды воздействием ультрафиолетового излучения (UV-излучения) усложнена и связана с интенсивным техническим обслуживанием. Она сопряжена с использованием UV-ламп, которые необходимо периодически менять. Кроме того, при обработке UV-излучением для фокусирования UV-излучения на воду часто использует рефлекторы. Эти рефлекторы время от времени необходимо очищать. Помимо того, в большинстве случаев желательно, чтобы поток воды, проходящей через камеры UV-обработки, был ламинарным, чтобы обеспечить равномерность облучения воды UV-лучами. Это требует использования отражателей и камер для обработки специальной конструкции, что увеличивает стоимость обработки воды.

Фильтрация включает в себя пропускание потока воды через ряд фильтров. Подобно обработке UV-излучением, процесс фильтрации связан с интенсивным техническим обслуживанием. Фильтры необходимо периодически очищать и/или заменять. Кроме того, фильтрация зачастую является медленным процессом.

Еще одним известным способом очистки воды является пастеризация. Она включает в себя нагревание воды до температуры, по меньшей мере, 65-77°С. Процесс пастеризации, как правило, проводят в случае низких расходов воды, характерных, например, для палаточных лагерей и других удаленных сельских местностей. Для пастеризации воды с помощью солнечного тепла иногда используют небольшие мобильные солнечные пастеризационные установки или солнечные камеры термообработки. Вообще говоря, в большинстве случаев очистки воды в крупных масштабах пастеризацию не используют из-за высоких затрат, связанных с нагреванием больших количеств воды.

Раскрытие изобретения

Предпочтительные примеры осуществления настоящего изобретения предоставляют новую возможность синтеза методов получения энергии и пастеризации воды, осуществляемых ранее независимо друг от друга. В иллюстрируемом примере воплощения для пастеризации больших количеств воды используется отработанная теплота турбогенератора.

В одном аспекте настоящее изобретение обеспечивает систему (комбинированную установку) для выработки энергии и пастеризации воды, содержащую турбину, силовой генератор, теплообменник и источник теплоты. Турбина приспособлена для подачи в нее потока рабочей текучей среды, а поток текучей рабочей среды организован таким образом, чтобы вращать лопасти и выходной вал турбины. Силовой генератор присоединен к выходному валу турбины и преобразует вращение выходного вала в энергию. Теплообменник имеет первую и вторую внутренние камеры. Первая камера выполнена для приема рабочей текучей среды, выходящей из турбины, в то время как вторая камера выполнена для приема воды, например неочищенной или даже частично нагретой сточной воды, поступающей от источника коммунально-бытовой сточной воды. Камеры теплообменника выполнены таким образом, что обеспечивают теплообмен между рабочей текучей средой, протекающей внутри первой камеры, и водой во второй камере. Теплота передается от горячей рабочей текучей среды к сравнительно холодной воде для того, чтобы желательным образом повысить температуру воды, по меньшей мере, до температуры ее пастеризации. Источник теплоты приспособлен для передачи тепла рабочей текучей среде, протекающей через турбину и первую камеру теплообменника. Обычно источник тепла передает тепло рабочей текучей среде выше по потоку от теплообменника. В предпочтительном примере воплощения источник теплоты передает тепло текучей рабочей среде как выше по потоку, так и ниже по потоку от турбины.

В другом аспекте настоящее изобретение обеспечивает систему (комбинированную установку) для получения электрической энергии и пастеризованной воды, включающую в себя турбогенератор и теплообменник. Турбогенератор приспособлен для преобразования скоростного потока рабочей текучей среды в электрическую энергию. Теплообменник имеет первую и вторую внутренние камеры, разделенные по текучим средам. Используемый здесь термин "разделенная по текучим средам" относится к камерам, имеющим такую конструкцию, что текучие среды, протекающие через камеры, не могут смешиваться друг с другом. Первая внутренняя камера приспособлена для приема потока отработанной рабочей текучей среды из турбогенератора, в то время как вторая камера приспособлена для приема воды. Камеры выполнены с возможностью теплообмена между рабочей текучей средой, протекающей внутри первой камеры, и водой во второй камере. В частном случае использования данная система, кроме того, содержит тепловой источник, предназначенный для подвода тепла к рабочей текучей среде, поступающей в турбогенератор.

Еще в одном аспекте настоящего изобретения обеспечивается способ выработки энергии и получения пастеризованной воды. Создают поток рабочей текучей среды (в иллюстрируемом примере воплощения - газ), протекающей через турбогенератор. Этот поток приводит турбогенератор в действие, в результате чего вырабатывается энергия. После выхода рабочей текучей среды из турбогенератора ее направляют в первую из двух внутренних камер теплообменника, разделенных по текучим средам. Камеры выполнены таким образом, что между рабочей текучей средой, протекающей внутри первой камеры, и водой во второй из двух камер происходит процесс теплообмена. Рабочая текучая среда в первой камере находится при температуре, большей, чем температура пастеризации воды. Воду подают во вторую камеру теплообменника, причем вода первоначально холоднее, чем температура ее пастеризации. Воде, протекающей через вторую камеру, создают возможность поглощать тепло от рабочей текучей среды, протекающей в первой камере. При этом расход воды через вторую камеру теплообменника регулируют таким образом, чтобы температура воды повышалась до температуры пастеризации.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения обеспечивается способ получения электрической энергии и пастеризации воды. Через турбогенератор прокачивают воздух, который приводит этот турбогенератор в действие, и в результате вырабатывается электрическая энергия. Тепло от воздуха, после его выхода из турбогенератора, передается воде для повышения ее температуры, по меньшей мере, до температуры пастеризации воды.

В целях обобщения настоящего изобретения и преимуществ, достигаемых по отношению к известным аналогам, конкретные цели и преимущества изобретения отмечены выше и, кроме того, отмечены ниже. Следует, конечно, понимать, что нет необходимости в том, чтобы все указанные выше цели и преимущества достигались в любом частном случае воплощения изобретения. Поэтому, например, специалистам в данной области техники ясно, что изобретение может быть воплощено или реализовано таким путем, при котором достигается или оптимизируется одно преимущество или целый ряд преимуществ из указанных здесь, при этом достижение других целей или преимуществ, которые могут быть указаны или могут предполагаться, не является необходимым.

Подразумевается, что все эти примеры воплощения находятся в пределах границ объема раскрытого здесь изобретения. Эти и другие примеры воплощения настоящего изобретения будут хорошо понятны специалистам из нижеследующего подробного описания предпочтительных примеров осуществления со ссылками на сопровождающие чертежи, при этом данное изобретение не ограничивается каким-либо описанным конкретным предпочтительным примером (примерами).

Краткое описание чертежей

Фиг.1 - блок-схема, иллюстрирующая систему пастеризации воды и получения энергии в соответствии с предпочтительным примером воплощения настоящего изобретения.

Фиг.2 - схематическое изображение теплообменника, используемого в предпочтительных воплощениях настоящего изобретения.

Фиг.3 - блок-схема, иллюстрирующая воплощение изобретения, в котором газ брожения (биогаз), выделяющийся из сточной воды, используют как дополнительный источник теплоты в прямоточной камере сгорания, и

Фиг.4 - блок-схема, иллюстрирующая воплощение изобретения, в котором газ брожения, выделяющийся из сточной воды, смешивают с природным газом, используемым в качестве сжигаемого топлива.

Осуществление изобретения

Хорошо известный способ получения электрической энергии заключается в создании высокоскоростного потока текучей среды, например пара или воздуха, проходящего через турбогенератор. Обычно турбогенератор содержит турбину, соединенную с электрогенератором. Турбина снабжена лопатками и имеет выходной вал. Электрогенератор обычно содержит вал, который может быть соединен с выходным валом турбины. На валу генератора смонтированы электромагниты для преобразования энергии вращения вала в электрическую энергию. Как правило, рабочую текучую среду приводят в состояние перегретого газа (сильно нагретого газа) для получения более высокой скорости протекания газа через турбину. Текучая среда протекает через лопатки турбины и производит вращение валов турбины и электрогенератора. Вследствие движения магнитов изменяется электромагнитное поле и генерируется электрический ток. Обычно электрогенератор снабжен дополнительными средствами для сбора и накопления электрической энергии. Следует отметить, что существуют более совершенная аппаратура и методы, основанные на указанных основополагающих принципах получения электрической энергии

В предпочтительных примерах осуществления настоящего изобретения для пастеризации воды используют теплоту рабочей текучей среды, после того как эта нагретая текучая среда приводит в действие турбогенератор. Таким образом, предпочтительные воплощения изобретения реализуют благоприятную возможность взаимно усиливающего действия известных процессов выработки энергии и пастеризации воды.

На фиг.1 представлена блок-схема, иллюстрирующая систему 5, предназначенную для пастеризации воды и выработки энергии в соответствии с предпочтительным примером осуществления настоящего изобретения. Система 5 включает в себя подсистему 6 для пастеризации воды и подсистему 8 для выработки энергии, каждая из которых на фиг.1 обведена штриховыми линиями. Как отмечено выше, подсистема 6 пастеризации воды принимает сброс 12 сточной воды и производит чистую пастеризованную воду 30. Одновременно подсистема 8 вырабатывает электрическую энергию за счет перегретого потока текучей рабочей среды, например воздуха или воды (но предпочтительно воздуха), проходящего через турбогенератор 61. Предпочтительно, как было отмечено выше, подсистема 6 пастеризации воды использует отработанную теплоту подсистемы 8 выработки энергии. Эта отработанная теплота представляет собой часть энергии, которая может быть легко отведена от подсистемы 8 генерации энергии, что приводит к взаимно усиливающему эффекту для этих двух подсистем.

Нижеследующее подробное описание начинается с раскрытия структурных элементов системы 5, после чего дается пояснение работы этой системы.

Основными элементами подсистемы 6 пастеризации воды являются первый теплообменник 16, второй теплообменник 20 и промежуточная емкость 24. Кроме того, подсистема 6 содержит ряд трубопроводов для соединения указанных элементов. Далее раскрывается конструктивная схема подсистемы 6.

Первый теплообменник 16 подсоединен к четырем водяным трубопроводам, как было отмечено выше. Используемый здесь термин "трубопровод" относится к одному или более проточным каналам или полостям, которые могут иметь какой-либо размер и конфигурацию из числа их большого возможного разнообразия. Первый теплообменник 16 содержит две внутренние камеры, разделенные по текучим средам. Первая камера служит каналом, размещенным между трубопроводом 14 для входа сточной воды и трубопроводом 18 для нагретой воды, в то время как вторая камера служит каналом, размещенным между трубопроводом 26 для пастеризованной воды и трубопроводом 28 для выхода очищенной воды. Хотя на фиг.1 это не отражено, две камеры первого теплообменника 16 предпочтительно выполнены так, как это известно в области конструирования теплообменников, чтобы улучшить теплообмен между текучими средами, проходящими через теплообменник. Предпочтительно эти две камеры выполнены с большой площадью поверхности взаимного контакта, что способствует большей эффективности теплообмена между ними.

На фиг.2 схематически показан теплообменник 80, который является подходящим для использования в предпочтительных воплощениях настоящего изобретения. Теплообменник 80 является подходящим особенно для использования в качестве первого теплообменника 16 и/или второго теплообменника 20 (описаны ниже), показанных на фиг.1, а также для какого-либо дополнительного теплообменника, который может быть необходимым. Теплообменник 80 содержит две камеры А и В, отделенные друг от друга по текучим средам посредством контактной разделительной поверхности 82. Теплообменник 80 содержит входные патрубки 84 и 88 и выходные патрубки 86 и 90. Камера А соединена с входным патрубком 84 и выходным патрубком 86, а камера В соединена с входным патрубком 88 и выходным патрубком 90. Хотя на фиг.2 представлено двухмерное изображение, ясно, что данный теплообменник имеет пространственную конструкцию. По существу камеры А и В являются трехмерными камерами. Несмотря на то, что камера В, показанная на фиг.2, состоит из двух частей, понятно, что камера В представляет собой одну непрерывную камеру, как и камера А. Хотя контактная поверхность 82 на схематическом изображении показана в виде двух простых линейных отрезков, понятно, что на самом деле контактная поверхность 82 предпочтительно имеет определенную конфигурацию, позволяющую получить большую площадь поверхности контакта между камерой А и камерой В, что способствует большей эффективности теплообмена между ними. Эти две камеры разделены. Поэтому текучая среда 1 может проходить через камеру А с помощью входного патрубка 84 и выходного патрубка 86, а текучая среда 2 - через камеру В посредством входного патрубка 88 и выходного патрубка 90, причем без какого-либо перемешивания этих двух текучих сред внутри теплообменника 80.

Как показано на фиг.1, второй теплообменник 20 подсоединен к двум водяным трубопроводам и двум воздушным трубопроводам так, как это описано ниже. Подобно первому теплообменнику 16 второй теплообменник 20 содержит две внутренние камеры, разделенные по текучим средам. Первая камера служит каналом, расположенным между трубопроводом 18 предварительно нагретой воды и трубопроводом 22 для пастеризованной воды. Вторая камера служит каналом, расположенным между входным трубопроводом 66 и трубопроводом 68 для отвода воздушного потока. Хотя на фиг.1 и не показано, эти две камеры второго теплообменника 20 предпочтительно выполнены таким образом, как это известно в технике конструирования теплообменников, чтобы улучшить теплообмен между средами, протекающими внутри двух камер. Предпочтительно, чтобы конфигурация камер обеспечивала большую площадь поверхности контакта одной камеры с другой, что способствует улучшению теплообмена между ними.

Трубопровод 22 для пастеризованной воды служит каналом, соединяющим второй теплообменник 20 с промежуточной емкостью 24. Трубопровод 26 для пастеризованной воды соединяет промежуточную емкость 24 с одной из внутренних камер первого теплообменника 16, как это было отмечено выше. Один или более водяных трубопроводов подсистемы 6 пастеризации может быть полностью или частично теплоизолирован, чтобы предотвратить потери или притоки тепла. В одном из воплощений изобретения теплоизолированы все трубопроводы. Конечно, предпочтительно отсутствие теплоизоляции между камерами в каждом из теплообменников.

Основными элементами подсистемы 8 для выработки энергии являются источник топлива 42 (предпочтительно природный газ), газовый компрессор 46, нагнетатель 41, камера 50 воспламенения газа, турбогенератор 61 и прямоточная камера сгорания 64. Кроме того, подсистема 8 содержит ряд трубопроводов для соединения указанных элементов подсистемы. Ниже дано пояснение конструктивного выполнения подсистемы 8. Источник 42 газообразного топлива подсоединен к газовому компрессору 46 и прямоточной камере сгорания 64 с помощью трубопровода 44 подачи несжатого газа. Источник 42 газообразного топлива предпочтительно содержит природный газ, например метан, пропан или бутан или другие газы, которые могут быть использованы. Газовый компрессор 46 подсоединен к камере 50 воспламенения топлива посредством трубопровода 48 подачи сжатого газа. Камера 50 воспламенения газа, помимо того, подсоединена к воздушному трубопроводу 52 и воздушному трубопроводу 54 входа в турбину. В иллюстрируемом примере воплощения изобретения нагнетатель 41 служит для подачи воздуха 40, всасываемого через входной патрубок 39 в воздушный трубопровод 52. Камера воспламенения 50 предпочтительно снабжена воспламенителем природного газа (не показан), например генератором искрового (электрического) зажигания, генератором пламени или другой подобной аппаратурой. Трубопровод 54 входа воздуха в турбину соединен со входом турбогенератора 61. В иллюстрируемом примере воплощения изобретения турбогенератор 61 содержит турбину 56, имеющую выходной вал 58, соединенный с электрогенератором 60. Используемый в настоящем изобретении "турбогенератор" представляет собой комбинацию турбины и электрогенератора, при этом выходной вал турбины приспособлен для привода во вращение электрогенератора.

Выход текучей среды из турбины 56 соединен с прямоточной камерой сгорания 64 посредством воздухоотводящего трубопровода 62. Воздушный поток, выходящий из турбины 56 и поступающий в воздушный трубопровод 62, иногда здесь называется отходящим (отработанным) газом турбины. Прямоточная камера сгорания 64 соединена также с вышеупомянутым воздушным трубопроводом 66, который направляет воздух ко второму теплообменнику 20. Трубопровод 68 отвода воздуха соединен также со вторым теплообменником 20 и ведет к выхлопной трубе 70 для выброса воздуха в окружающую среду. Устройство 72 предпочтительно обеспечивает непрерывный контроль качества воздуха в отводящем воздушном трубопроводе 68 для непрерывного мониторинга выбросов в атмосферу (СЕМ-мониторинг), известное в уровне техники. Для предотвращения потерь теплоты или теплопритоков один или более чем один воздушный трубопровод подсистемы 8 для выработки электроэнергии может быть полностью или частично теплоизолирован. В одном из примеров воплощения теплоизолированы все трубопроводы.

Далее будет раскрыто функционирование всей системы 5 в соответствии с предпочтительным примером осуществления данного изобретения. Как было отмечено выше, подсистема 8 выработки энергии преобразует энергию потока перегретого воздуха в электрическую энергию. Воздух 40 при комнатной температуре (например, 15°С) или близкой к ней нагнетают через воздушный трубопровод 52 в камеру 50 воспламенения газа. Одновременно природный газ под манометрическим давлением, равным приблизительно 7 атм протекает от источника 42 по трубопроводу 44 несжатого до высокого давления газа к газовому компрессору 46. Компрессор 46 сжимает газ до значительно более высокого манометрического давления (например, 22,3 атм) с тем, чтобы газ после воспламенения имел значительно более высокую способность тепловыделения. Сжатый газ по трубопроводу 48 поступает в камеру 50 воспламенения газа. В камере 50 воспламенения газа сжатый природный газ смешивается с воздухом 40. Средства зажигания природного газа (не показаны) воспламеняют сжатый природный газ, смешанный с воздухом 40, за счет чего в воздух поступает большое количество выделяемой теплоты сгорания. В результате воздух в камере 50 воспламенения газа перегревается (сильно нагревается), а его давление повышается. В этих условиях перегретый воздух (содержащий отработанные пары, образовавшиеся при воспламенении газа) протекает с высокой скоростью через входной воздушный трубопровод 54 в турбину 56. Высокоскоростной поток перегретого воздуха приводит во вращение лопатки турбины, производя за счет этого вращение выходного вала 58. Электрогенератор 60 преобразует это вращение в электричество вышеуказанным образом.

После протекания перегретого воздуха через турбину 56 он проходит через выходной воздушный трубопровод 62 в прямоточную камеру сгорания 64. Прямоточная камера 64 принимает природный газ, поступающий по трубопроводу 44 для несжатого газа. В альтернативном примере воплощения в прямоточную камеру сгорания 64 может поступать поток сжатого газа из трубопровода 48 для сжатого газа. Подобно камере 50 воспламенения газа прямоточная камера сгорания 64 предпочтительно включает воспламенитель природного газа (на показан), например электрический (искровой) генератор зажигания, генератор пламени или другое подобное устройство. Внутри прямоточной камеры сгорания 64 природный газ поджигают для передачи воздуху дополнительного количества теплоты при его протекании дальше вперед по трубопроводу 66 в одну из двух внутренних камер второго теплообменника 20. Понятно, что в этом случае наличие прямоточной камеры сгорания 64, хотя она и предпочтительна, не требуется. Внутри второго теплообменника 20 воздух заметно охлаждается за счет теплообмена с холодной водой так, как это описано ниже. Охлажденный воздух выходит и поступает во второй теплообменник 20 через воздушный отводящий трубопровод 68. Охлажденный воздух выбрасывают в окружающую среду через выхлопную трубу 70. Для удовлетворения требований стандартов по выбросам вредных веществ в атмосферу второй теплообменник 20 предпочтительно снабжен катализаторами, способствующими очистке воздуха перед его выбросом в окружающую среду через выхлопную трубу 70. Предпочтительно для снижения выброса окиси азота (NOx) используют катализатор с избирательным каталитическим восстановлением (SCR-катализатор). SCR-катализатор может быть использован вместе с восстанавливающими веществами, например соединениями на основе аммиака или мочевины. Кроме того, могут быть использованы и другие катализаторы, обеспечивающие соответствие вредных выбросов принятым стандартам, например катализаторы на основе СО из числа известных в уровне техники. Как было отмечено выше, для непрерывного контроля качества воздуха и обеспечения стандарта по вредным выбросам для выбрасываемого в окружающую атмосферу через выхлопную трубу 70 предпочтительно используют систему 72 СЕМ.

При функционировании всей системы 5 подсистема 6 пастеризации воды пастеризует сброс 12 сточной воды путем прокачки сточной воды 12 через теплообменники 16 и 20. Перед входом в подсистему 6 пастеризации воды сброс 12 сточной воды находится при комнатной температуре или близкой к ней (например, 55,5-59°С). Сточная вода 12 втекает в одну из двух внутренних камер первого теплообменника 16 через трубопровод 14 входа сточной воды. Хотя на фигуре и не показано, но для подачи во входной трубопровод 14 сточной воды 12 может быть использован насос. В качестве альтернативы сточная вода 12 может поступать во входной трубопровод 14 только за счет гравитации с помощью, например, накопительной емкости, установленной вертикально над первым теплообменником 16. В некоторых вариантах выполнения для улавливания более крупных загрязнений из сточной воды 12 перед ее подачей в первый теплообменник 16 могут быть использованы фильтры.

Понятно, что для передачи тепла от отработанного в турбине газа непастеризованной воде могут быть использованы и другие схемы и системы. Например, в качестве альтернативы может быть использована замкнутая система циркуляции текучей среды для передачи отработанного в турбине тепла во втором теплообменнике 20 к сточной воде, протекающей внутри первого теплообменника 16. Кроме того, для проведения процесса теплообмена возможны другие схемы и системы.

Внутри одной из двух внутренних камер первого теплообменника 16 сточная вода поглощает теплоту, передаваемую от горячей пастеризованной воды, нагретой внутри другого из двух теплообменников (поясняется ниже). Это позволяет повысить температуру сточной воды до уровня пастеризации или близкого к нему (т.е. приблизительно, по меньшей мере, до 54°С, более предпочтительно до 57°С и еще более предпочтительно до 60-64,5°С). Подогретая вода затем протекает через трубопровод 18 подогретой воды в одну из двух внутренних камер второго теплообменника 20. Во втором теплообменнике 20 вода поглощает дополнительное количество теплоты от горячего воздуха, протекающего через другую внутреннюю камеру теплообменника 20. Это приводит к еще большему росту температуры воды до уровня ее пастеризации (например, по меньшей мере, до 65,5-77°С, более предпочтительно до 71°С и еще более предпочтительно до 71-71,5°С). Пастеризованная вода затем протекает через трубопровод 22 пастеризованной воды в промежуточную емкость 24. Следует отметить, что промежуточная емкость 24 может быть исключена из конструкции или перемещена вниз по ходу движения потока от трубопровода 28 для выхода воды и служить в качестве сборной емкости для последующей стадии. Пастеризованная вода по трубопроводу 26 проходит в ту внутреннюю камеру первого теплообменника 16, в которую не поступает сброс 12 сточной воды из трубопровода 14 для входа сточной воды. Как отмечено выше, горячая пастеризованная вода передает теплоту более холодной сточной воде 12, что приводит к снижению температуры пастеризованной воды, предпочтительно вновь охлаждая ее примерно до комнатной температуры (например, до 24°С). Охлажденная пастеризованная вода, представляющая собой полученную чистую воду (продукт) 30, выходит из первого теплообменника 16 через выходной трубопровод 28.

Кроме того, следует отметить, что описанная система предпочтительно снабжена регулятором расхода для регулирования расхода воды, протекающей через второй теплообменник 20. Предпочтительно расход воды через второй теплообменник 20 регулируют таким образом, чтобы вода поглощала достаточное количество теплоты от отработанного в турбине воздушного потока для повышения ее температуры до температуры пастеризации в течение периода времени, достаточного для пастеризации воды.

В одном предпочтительном примере воплощения сжигаемый природный газ, поступающий от источника 42 газообразного топлива и проходящий по трубопроводу 44 несжатого газа, имеет манометрическое давление, равное приблизительно 7 атм, и обеспечивает получение энергии приблизительно 7,0×10⁶ кДж/ч. После сжатия в компрессоре 46 этот газ находится предпочтительно при манометрическом давлении 22,3 атм и обеспечивает получение энергии в количестве около 74,6×10⁶ кДж/ч. В одном примере воплощения используемый турбогенератор 61 представляет собой турбогенератор типа TAURUS 70-T10301S, поставляемый на рынок фирмой Solar Turbines, Сан Диего, СА. Данный турбогенератор на высоте 60 м над уровнем моря при температуре окружающего воздуха 15°С и влажности 60% демонстрирует общую выходную мощность 7,16 кВт. При всех указанных условиях выходящий из турбины отработанный воздух в воздушном трубопроводе 62 имеет расход около 94,5 кг/ч и температуру примерно 491°С. Предпочтительно дополнительная теплота, подводимая к воздуху в прямоточной камере сгорания 64 от природного газа, поступающего по трубопроводу 44, нагревает воздух до температуры около 556°С. В предпочтительном примере воплощения охлажденный воздух, выходящий из второго теплообменника 20, имеет температуру около 121°С и отводится через выхлопную трубу 70 с расходом приблизительно 94,5 кг/ч.

В предпочтительном примере воплощения изобретения теплообменники 16 и 20 и промежуточная емкость 24 имеют такие размеры и конфигурацию, чтобы можно было пастеризовать примерно 37850 м³ сбросов 12 сточной воды в день. В другом примере воплощения система имеет размеры и конфигурацию, позволяющие пастеризовать вдвое большее количество воды в день. Специалистам будет понятно, что производительность системы 5 можно регулировать путем изменения размеров и теплопередающих характеристик теплообменников 16 и 20, за счет изменения размеров промежуточной емкости 24 и водяных трубопроводов, путем выбора в качестве топлива различных природных газов с различной теплотворной способностью и/или за счет выбора различных турбогенераторов 61 с различными параметрами отходящих газов, выходящих из турбины. В предпочтительных примерах воплощения выполнение теплообменников обеспечивает возможность пастеризации предпочтительно, по меньшей мере, 18925 м³, более предпочтительно, по меньшей мере, 37850 м³, более предпочтительно, по меньшей мере, 56775 м³ и еще более предпочтительно, по меньшей мере, 75700 м³ сточной воды в день.

В предпочтительных примерах воплощения изобретения воду выдерживают при температуре пастеризации предпочтительно, по меньшей мере, 2 с, более предпочтительно, по меньшей мере, 5 с, более предпочтительно, по меньшей мере, 10 с и еще более предпочтительно, по меньшей мере, 15 с. Вообще говоря, чем выше температура воды, тем меньшее время необходимо для проведения пастеризации. Предпочтительна пастеризация воды при температуре, по меньшей мере, 160°F в течение, по меньшей мере, 5 с. При температуре 93°С предпочтительное время пастеризации составляет, по меньшей мере, две секунды. Температура пастеризации воды (т.е. температура воды в водяном трубопроводе 22) предпочтительно составляет 65,5-100°С и более предпочтительно 68-93°С. Желательно проводить пастеризацию в интервале температур 65,5-77°С, поскольку более высокая температура пастеризации требует получения большего количества теплоты от подсистемы 8 выработки энергии, что вероятно, в свою очередь, увеличивает затраты в этой подсистеме и/или уменьшает ее производительность. Температура пастеризации воды предпочтительно составляет, по меньшей мере, 71°С.

Предполагается, что настоящее изобретение будет иметь особые преимущества и пользу в масштабах города. Изобретение позволяет городским коммунальным службам экономичным образом производить энергию и пастеризовать воду в местном масштабе. Вырабатываемая энергия может пополнять энергию, приобретаемую от больших энергетических компаний. Пастеризованная вода может быть использована для локальных целей. Используемая на местном или городском уровнях турбина 56 системы 5 пастеризации воды и выработки электроэнергии предпочтительно имеет относительно малый размер. В одном воплощении турбина 56 способна вырабатывать вплоть до 50 МВт электрической мощности и более предпочтительно до 1000 МВт электрической мощности. В одном предпочтительном примере воплощения система 5 пастеризации воды и выработки электроэнергии способна очищать около 757 м³ воды на мегаватт получаемой электрической мощности. Система 5 предпочтительно способна очищать предпочтительно, по меньшей мере, 378 м³/МВт и более предпочтительно по меньшей мере, 1892 м³/МВт электрической мощности. Наиболее предпочтительно система 5 способна очищать 757-5678 м³/МВт полученной электрической мощности. В одном предпочтительном воплощении данная система способна очищать 5299 м³/МВт выработанной электрической мощности.

Специалистам будет понятно, что для подсистемы 6 пастеризации воды нет необходимости в использовании двух теплообменников, как это было указано здесь. Например, сточную воду 12 можно пастеризовать, используя один единственный теплообменник, в который поступает отработанный воздушный поток из турбины (например, исключается первый теплообменник 16 и сточную воду 12 направляют непосредственно во второй теплообменник 20). Однако предпочтительно использование двух теплообменников, поскольку это значительно увеличивает производительность подсистемы 6 по пастеризованной воде. Если используется только один теплообменник, это должно увеличить температуру сточной воды 12 от комнатной температуры или близкой к ней, по меньшей мере, до температуры пастеризации 65-77°С, повышение температуры составляет около 55,5°С. Для такого значительного повышения температуры воды расход воды через один теплообменник должен быть ограничен с тем, чтобы вода могла поглотить достаточное количество теплоты от отработанного в турбине воздушного потока. В конструкции с единственным теплообменником система 5 по оценке может пастеризовать 946 м³ воды на мегаватт полученной электрической мощности. Однако при использовании двух теплообменников 16 и 20, показанных на фиг.1, возможен подогрев первым теплообменником 16 сточной воды 12 примерно до 60°С. Таким образом, второй теплообменник 20 необходим лишь для повышения температуры воды на 5,5-17°С (предпочтительно вплоть до 65,5-77°С, более предпочтительно вплоть до 71-71,5°С). Это позволяет подавать больший расход воды. По оценкам с помощью двух теплообменников система 5 может пастеризовать 5299 м³ воды на мегаватт полученной электрической мощности. Другая выгода от использования двух теплообменников заключается в том, что пастеризованная вода охлаждается до температуры, близкой к комнатной. Несмотря на то что в иллюстрируемом примере воплощения используется два теплообменника, специалистам понятно, что система 5 может включать в себя любое количество теплообменников, соединенных последовательно так, как это показано на фиг.1.

Хотя в иллюстрируемом примере воплощения для нагрева воздуха, втекающего в турбогенератор и вытекающего из него, используется природный газ, понятно, что преимущества изобретения могут быть также реализованы при использовании альтернативных источников получения тепла, например ядерной энергии или сжигаемого угля. Понятно, что для нагрева воздуха, поступающего в турбогенератор и вытекающего из него, может быть использован любой из множества различных видов энергии.

Обращаясь вновь к фиг.1, следует отметить, что система 5 для пастеризация воды и выработки энергии в подсистеме 8 выработки энергии в качестве источника топлива для нагрева рабочей текучей среды может использовать так называемый "газ брожения (биогаз)", выделяющийся из подогретой и подвергнутой окислению сточной воды. Предпочтительно сточную воду 12 подогревают и окисляют перед подачей в первый теплообменник 16. Подогрев и окисление способствуют росту бактерий и приводят к тому, что сточная вода выделяет "газ брожения", которым обычно является газообразный метан. При воспламенении газ брожения способен сообщать дополнительное тепло рабочей текучей среде.

На фиг.3 представлен один из примеров воплощений системы согласно изобретению, в котором газ брожения используют в качестве дополнительного источника теплоты для рабочей текучей среды подсистемы выработки энергии и в котором этот газ брожения направляют в прямоточную камеру сгорания 64. Сточную воду 12 предварительно собирают, накапливают к камере или резервуаре 95. Как было указано выше, сточную воду 12 подогревают и/или окисляют, чтобы газ брожения выделялся в трубопровод 96 для газа брожения, подсоединенный к газовому компрессору 97. Для увеличения тепловыделения в предпочтительном воплощении изобретения желательно осуществить сжатие газа брожения предпочтительно до уровня, сравнимого с уровнем сжатия природного газа 42 в предпочтительном примере воплощения. В предпочтительном воплощении после сжатия газа брожения в компрессоре 97 он протекает по трубопроводу 98 газа брожения в прямоточную камеру сгорания 64, где смешивается с природным газом 42, поступающим по трубопроводу 44 природного газа. В альтернативном примере воплощения изобретения компрессор 97 исключен из схемы, выполненной в этом случае предпочтительно с одним непрерывным прямым трубопроводом для газа брожения, проходящим от резервуара 95 к прямоточной камере сгорания 64.

На фиг.4 представлен другой пример воплощения изобретения с использованием газа брожения в качестве дополнительного источника тепла для рабочей текучей среды подсистемы генерации энергии, в котором газ брожения смешивают с природным газом непосредственно в источнике сжигаемого природного газа. В этом случае газ брожения из резервуара 95 по трубопроводу 99 газа брожения поступает в компрессор 100. В предпочтительном примере воплощения после сжатия в компрессоре 100 газ брожения по трубопроводу 101 подают прямо к источнику 42 природного газа. В данном воплощении газ брожения смешивают с рабочей текучей средой выше по потоку от турбины 56. В некоторых случаях подача газа брожения в турбину 56 может представлять опасность, поскольку приводит к повреждению турбины и/или может ухудшить характеристики турбины, и в этом случае воплощение, соответствующее фиг.3, более предпочтительно воплощению изобретения согласно фиг.4. Однако если опасности повреждения турбины газом брожения не существует (или когда эта опасность пренебрежимо мала), то в некоторых случаях может быть предпочтительным воплощение изобретения, представленное на фиг.4. В альтернативном примере воплощения изобретения из схемы исключен компрессор 100 и предпочтительно используется один прямой непрерывный трубопровод для газа брожения, соединяющий резервуар 95 с источником 42 сжигаемого природного газа предпочтительного примера воплощения.

Хотя настоящее изобретение было описано в контексте предпочтительных воплощений и примеров осуществления, специалистам в данной области техники понятно, что данное изобретение выходит за рамки конкретных раскрытых примеров воплощения изобретения и распространяется на другие альтернативные воплощения и/или случаи использования изобретения, и очевидные модификации и их эквиваленты. Кроме того, различные особенности данного изобретения могут быть использованы отдельно или в комбинации с другими его особенностями, отличными от непосредственно описанных выше. Таким образом, подразумевается, что раскрытый выше объем настоящего изобретения не должен ограничиваться конкретными описанными примерами воплощения, а должен определяться лишь точным толкованием нижеследующих пунктов формулы изобретения.

Изобретение относится к области пастеризации воды и выработки энергии с использованием турбины. Система включает в себя подсистему выработки энергии и подсистему пастеризации воды, которые объединены вместе следующим образом. Подсистема выработки энергии содержит турбогенератор. Воздух (или другая подходящая рабочая текучая среда) проходит через турбогенератор и вырабатывает энергию известными методами. Перед подачей воздуха в турбину его нагревают для повышения скорости воздуха, что способствует выработке большего количества энергии. Подсистема пастеризации сточной воды содержит один или большее количество теплообменников, по меньшей мере, один из которых подключен для приема потока горячего воздуха, выходящего из турбины. Тепло воздушного потока, выходящего из турбины, используют для пастеризации более холодной сточной воды, протекающей внутри теплообменника. Изобретение позволяет получить питьевую воду из сточной воды при минимальных энергетических затратах. 8 н. и 38 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Система для выработки энергии и пастеризации сточной воды, содержащая

турбину, приспособленную для подачи в нее потока рабочей текучей среды, при этом поток рабочей текучей среды организован таким образом, чтобы обеспечивать вращение лопаток и выходного вала турбины;

силовой генератор, соединенный с выходным валом турбины и выполненный с возможностью преобразования вращения выходного вала в энергию;

источник сточной воды;

теплообменник, содержащий первую и вторую внутреннюю камеры, которые отделены внутри теплообменника друг от друга по текучим средам, при этом первая камера приспособлена для приема рабочей текучей среды, выходящей из турбины, вторая камера приспособлена для приема сточной воды, поступающей из источника сточной воды, причем камеры выполнены таким образом, что они обеспечивают теплообмен между рабочей текучей средой, протекающей внутри первой камеры, и сточной водой во второй камере, осуществляемый для повышения температуры сточной воды во второй камере, по меньшей мере, до температуры пастеризации сточной воды; и

тепловой источник, обеспечивающий подвод тепла к рабочей текучей среде, протекающей через турбину и первую камеру теплообменника.

подачу потока рабочей текучей среды после его выхода из турбогенератора в первую из двух внутренних камер теплообменника, разделяющих текучие среды, при этом камеры выполнены таким образом, что они обеспечивают теплообмен между рабочей текучей средой, протекающей внутри первой камеры, и сточной водой, протекающей во второй из двух камер, причем температура рабочей текучей среды в первой камере больше, чем температура пастеризации воды;

пропускание сточной воды через вторую камеру теплообменника, при этом вода первоначально холоднее, чем температура пастеризации воды;

создание условий для поглощения сточной водой, протекающей через вторую камеру, тепла рабочей текучей среды, проходящей через первую камеру;

регулирование расхода сточной воды, протекающей через вторую камеру теплообменника, таким образом, чтобы температура воды повышалась, по меньшей мере, до температуры пастеризации, и так, чтобы по существу вся сточная вода внутри теплообменника становилась пастеризованной.

обеспечение протекания непастеризованной сточной воды через первую камеру первого теплообменника с поглощением тепла от пастеризованной сточной воды, протекающей внутри второй камеры первого теплообменника;

подачу непастеризованной сточной воды, протекающей внутри первой камеры первого теплообменника, из первого теплообменника во вторую камеру второго теплообменника;

поглощение сточной водой, протекающей внутри второй камеры второго теплообменника, тепла от рабочей текучей среды, протекающей внутри первой камеры второго теплообменника так, чтобы сточная вода, протекающая внутри второй камеры второго теплообменника, нагревалась до температуры пастеризации сточной воды; и отвод пастеризованной сточной воды из второй камеры второго теплообменника и пропускание ее через вторую камеру первого теплообменника.

Приоритет по пунктам: